Влияние биообрастания на эффективность раструбных покрытий и технологии противообрастания

Морская промышленность сталкивается со значительной проблемой биообрастания, которая заключается в накоплении водных организмов на поверхности судов. Это явление затрагивает различные части судна, включая двигатели, которые имеют решающее значение для маневренности. Понимание влияния биообрастания на эффективность двигателя и изучение передовых противообрастаний жизненно важны для поддержания оптимальной производительности судна. Поскольку глобальное судоходство стремится к большей экономии топлива и сокращению выбросов, даже незначительные улучшения эффективности двигателя могут дать значительную экономию эксплуатации и экологические преимущества. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение того, как биообрастание ухудшает характеристики двигателя, углубленный обзор текущих и новых технологий противообрастания и практическое руководство для операторов судов, стремящихся смягчить эти эффекты.

Понимание биообрастания: от микробов до макроорганизмов

Биопулирование — это нежелательное накопление микроорганизмов, растений, водорослей и животных на смоченных поверхностях. Это естественный процесс, который начинается в течение нескольких минут после того, как чистая поверхность погружается в морскую воду и проходит через несколько этапов. Начальный этап включает адсорбцию растворенных органических молекул, формирование кондиционирующей пленки. Эта пленка быстро колонизируется бактериями и другими микроорганизмами, создавая биопленку — часто называемую микрообрастанием или слизью. В течение нескольких дней биопленка привлекает более крупные организмы, такие как диатомовые водоросли, простейшие и споры водорослей. В течение нескольких недель и месяцев виды макрообрастания — включая ракушек, мидий, туберкулёзов и бриозоанов — оседают и растут, создавая толстый, прочный слой, который сильно влияет на гидродинамические характеристики подводных поверхностей.

Факторы, влияющие на скорость и тяжесть биообрастания

Скорость, с которой развивается биообрастание, зависит от сложного взаимодействия экологических и эксплуатационных факторов. Температура воды является основным драйвером: более теплые воды ускоряют темпы биологического роста, часто приводя к более быстрому и сильному загрязнению. Соленость, доступность питательных веществ, проникновение света (для фотосинтетических организмов) и наличие существующих сообществ загрязнения в окрестностях также влияют на колонизацию. Специфические факторы судна, такие как время, проведенное в порту, частота доковки и скорость и продолжительность плаваний, дополнительно влияют на накопление загрязнения. Для двигателей, которые могут работать с перерывами и с разной скоростью, эффект промывки от вращения винта может фактически способствовать загрязнению в областях с низким потоком в сопле или корпусе, создавая постоянные горячие точки, которые трудно поддаются лечению.

Экономические и экологические последствия биообрастания

По данным Международной морской организации (ИМО), биообрастание, по оценкам, увеличивает потребление топлива до 25% для сильно загрязненных корпусов, с дополнительными штрафами за загрязненные пропеллеры и двигатели. Это приводит к дополнительным расходам на топливо в миллиарды долларов в год и соответствующему увеличению выбросов парниковых газов. Помимо топлива, биообрастание способствует передаче инвазивных водных видов, основной экологической и экономической угрозе, которая привела к международным нормативным действиям в соответствии с Руководящими принципами ИМО по биообрастанию (резолюция MEPC.207 (62)). Для операторов судов прямые расходы включают более частую очистку, более высокие расходы на техническое обслуживание, коррозионные повреждения и потенциальную сушку для взрывов и ограждения.

Влияние биообрастания на производительность Thruster

Трубы имеют решающее значение для точного маневрирования судов, особенно в перегруженных гаванях, во время причала и когда требуется динамическое позиционирование. Они бывают нескольких конфигураций - туннельных двигателей, азимутальных двигателей и убирающихся двигателей - каждый с уникальными гидродинамическими профилями. Биопулирование влияет на компоненты двигателей несколькими способами, что приводит к измеримой деградации производительности.

Увеличение потребления драги и топлива

Наиболее непосредственным эффектом биообрастания на тягаче является повышенное сопротивление трению и сопротивление формы. Даже тонкий слой слизи может значительно изменить шероховатость поверхности лопастей винта, сопла и стенок туннеля. Эта шероховатость нарушает ламинарный поток вблизи поверхности, увеличивая турбулентность и потери энергии. Для типичного туннельного тягача исследования показали, что умеренное накопление биообрастания может снизить гидравлическую эффективность системы на 10-20%, заставляя двигатель тяги потреблять значительно больше энергии для достижения той же тяги. Это дополнительное потребление энергии не только повышает эксплуатационные расходы, но и создает дополнительную нагрузку на электрические или гидравлические системы, потенциально сокращая срок их службы.

Сокращение выходной мощности

Биопорожнение лопастей винта изменяет камбер, угол атаки и текстуру поверхности лопасти, все из которых ухудшают способность гидропленки генерировать подъем (трусость). Степные ядра и мидии, прикрепленные к наконечникам лопасти, могут вызывать кавитацию и преждевременную эрозию, что еще больше снижает эффективность. В тяжелых случаях двигатель может быть неспособен доставить необходимую боковую силу для безопасного маневрирования, создавая риск безопасности в плотных кварталах. Снижение выходной мощности тяги нелинейно; небольшая площадь торможения может непропорционально влиять на производительность из-за разделения потока и генерации вихрей. Операторы часто компенсируют запуском двигателей при более высоких настройках мощности, создавая порочный круг повышенного сжигания топлива и ускоренного роста торможения.

Ускоренное компонентное платье и коррозия

Физическое присутствие твёрдооболоченных организмов может повредить компоненты двигателя.Барнаклы и устрицы своими острыми краями могут выскабливать и разрушать защитные полимерные покрытия, подвергая подстилающий металл коррозионной морской воде.Созданные этими организмами расщелины также улавливают хлориды и способствуют локализованной коррозии ям.Кроме того, добавленный вес толстого обращённого слоя может нарушить равновесие высокоскоростного вращающегося пропеллера, что приводит к чрезмерной вибрации и износу подшипников.Это механическое напряжение может вызвать преждевременный выход из строя уплотнений, подшипников вала и коробок передач, что приводит к дорогостоящему внеплановому ремонту.

Операционные риски и незапланированные простои

Для судов, которые полагаются на динамическое позиционирование (DP), таких как морские суда снабжения, буровые корабли и кабельные слои, производительность двигателей имеет решающее значение. Потеря тяги из-за биообрастания может заставить судно прервать операцию со значительными финансовыми штрафами. В суровую погоду скомпрометированные двигатели могут ухудшить способность к обслуживанию станции, подвергая опасности судно и его экипаж. Необходимость очистки воды или аварийного сухого дока добавляет дальнейшие эксплуатационные сбои. Судоходная отрасль все чаще признает, что упреждающее управление противообрастанием для двигателей является не дискреционным расходом, а основным требованием для эксплуатационной надежности.

Технологии противопокрытия: от традиционных биоцидов до передовых решений

Для борьбы с дорогостоящими последствиями биообрастания морская промышленность разработала широкий спектр технологий нанесения покрытий. Эти покрытия наносятся на корпус двигателя, сопло, винт и другие подводные поверхности для предотвращения прикрепления организмов или для того, чтобы сделать поверхность настолько скользкой, что их легко удалить потоком воды. Выбор покрытия должен сбалансировать эффективность противообрастания, долговечность, соответствие окружающей среде и стоимость.

Исторический обзор и нормативные ограничения

На протяжении десятилетий наиболее эффективные противообрастающие покрытия полагались на трибутилтин (ТБТ), мощный биоцид, который вымывался из краски и убивал морские организмы. Однако было обнаружено, что ТБТ наносит серьезный экологический ущерб, включая наложение токсинов моллюсками и эндокринные нарушения в рыбе, что приводит к глобальному запрету в соответствии с Международной конвенцией ИМО о контроле вредных противообрастающих систем (Конвенция АФС), которая вступила в силу в 2008 году. Сегодня судам запрещено применять краски на основе ТБТ, и промышленность перешла на биоцидные покрытия на основе меди и небиоцидные альтернативы.

Биоцидные покрытия

Современные биоцидные противообрастающие покрытия обычно используют медь или медные соединения в качестве основного активного ингредиента, часто дополняемого кобиоцидами (такими как пиритион цинка или тиоцианат меди) для управления водорослями и слизью. Эти покрытия классифицируются как либо растворимая матрица , либо самополизирующийся сополимер (SPC) системы. Покрытия SPC наиболее широко используются для применения в качестве двигателей, поскольку они обеспечивают контролируемое, предсказуемое высвобождение биоцида и гладкую полированную поверхность с течением времени. Действие полировки предотвращает накопление толстых слоев обрастания и помогает поддерживать гидродинамические характеристики. Однако опасения по поводу накопления меди в портовых средах и токсичности для нецелевых организмов приводят к снижению нагрузки на медь и альтернативным биоцидам.

Оболочка для розлива

Покрытия с отслаиванием (FRC) представляют собой принципиально иной подход: вместо того, чтобы убивать организмы, они создают поверхности с чрезвычайно низкой поверхностной энергией и низким модулем эластичности, что затрудняет прилипание организмов. Когда судно находится в стадии разработки, гидродинамические силы сдвига от потока воды легко вытесняют любое слабо прикрепленное загрязнение. Используемые две основные химии - покрытия на основе кремния и на основе фторполимера. Силиконовые FRC более мягкие и более эффективные для предотвращения постоянной адгезии, в то время как фторполимерные покрытия обеспечивают большую долговечность и устойчивость к истиранию. Для применений двигателей ключевым преимуществом FRC является их экологичность - они содержат нет или минимальные биоциды - и их способность обеспечивать постоянную производительность в течение более длительных периодов. Однако они менее эффективны в статических или низкотекучих условиях, таких как во время длительных портовых стоянок, и могут потребовать периодической очистки для удаления накопления слизи.